А.Н. Томилин. В поисках первоначал
- Из чего состоит всё?
- Рождение химии и как из химии получалась алхимия
- Элементы — стихии, любовь и ненависть в природе
- Аристотель (384-322 годы до нашей эры)
- Атом атому рознь (Демокрит)
- Как стать властелином мира?
- Поэтическая энциклопедия алхимии
- Ятрохимия — искусство приготовления лекарств
- Начало технической химии
- «Химик-скептик»
- Дайте мне материю и движение, и я построю мир!
- Подчинить явления природы законам математики
- Первый русский академик
- Таинственный флогистон
- История не принимает соболезнований
- Атомистика Джона Дальтона
- Каждый может учиться у всех и все у каждого
- В Гейдельберге
- Химический пасьянс Дмитрия Ивановича Менделеева
- От периодической таблицы к периодическому закону
- Мир из частиц
- Как люди перешли от представлений о частицах-корпускулах к волнам света
- Электричество и магнетизм — можно ли соединять несоединимое?
- Самое капризное дитя науки
- Диапазон электромагнитных волн расширяется
- «О новом роде лучей»
- Династия Беккерелей
- Новые источники излучения
- Джи-Джи Томсон — профессор кавендишской лаборатории
- Атом — это так же просто, как пудинг с изюмом
- Новогодняя речь лорда Кельвина и «ультрафиолетовая катастрофа»
- Что такое кванты и в чем заключалась «счастливая догадка» Макса Планка
- Фотоэффект с позиций квантовой теории
- Кризис в физике в конце XIX — начале XX столетия
- Каким представляли себе атом физики начала XX века
- Как узнать, что находится внутри пудинга?
- Планетарная модель атома водорода обретает устойчивость
- Алхимия XX века
- Питомник гениев на Three school line
- Профессор Зоммерфельд вносит поправки
- Как устроены молекулы и почему они не разваливаются на отдельные атомы?
- Принцип запрета Вольфганга Паули
- Квантовые числа, позволяющие отличать невидимые частицы друг от друга
- Электрон — частица? Электрон — волна?
- Нобелевская премия — «За» и Нобелевская премия — «Против»
- Модель атома наглядных аналогий не имеет
- Электрон — и волна, и частица
- Микромир как он есть и микромир как мы его «видим»
- Автопортрет электрона
- Уха из минус двух рыб
- Про то, как Джемс Чедвик открыл нейтрон, и еще про то, что стало ясно физикам после этого открытия
- Мечтатель нового типа
- Физтех — советская школа физиков
- На пути к атомному ядру
- Атомное ядро
- Под знаком Нептуния
- Сверхтяжелые трансураны
- Трансурановые элементы
- Об устойчивости атомных ядер, а также о необычайном путешествии по морю нестабильности от материка к неведомым островам
- Подарок Парижскому конгрессу
- Есть «сто шестой»!
- «Сто седьмой»! следующий?
- Что такое взаимодействие?
- Когда частей оказалось больше, чем нужно для целого
- Первая попытка систематизации частиц
- Машины для ускорения частиц
- Энергии частиц и единицы ее измерения
- Ступени развития атомных машин
- Нашествие странных частиц
- Загадка «тау — тета», или не является ли господь бог левшой?
- Проблема объединения сил
- Попытка классификации элементарных частиц
- Как физики открыли частицы-резонансы и задумались над вопросом: элементарны ли элементарные частицы?
- Проблемы классификации элементарных частиц
- В поисках основы основ
- Вместо послесловия — разговор автора с приятелем-физиком
Литература: А.Н. Томилин. В поисках первоначал. Издательство «Детская литература». Ленинград. 1978
Предисловие
Книга, которую вы держите в руках, посвящена истории атомистики — учения о прерывистом, или дискретном, строении материи, а также современному состоянию этого учения.
Интерес к атомистике понятен. Вот уже более ста лет, как она олицетворяет собой передний край науки, и всякий новый этап атомистики означает очередной переворот в естествознании. Ею занимались самые выдающиеся ученые, чьи идеи и личные качества определяли развитие науки на десятилетия. От чисто умозрительных гипотез древнегреческих философов атомистика прошла длинный путь до грандиозной даже по современным меркам научной проблемы, на исследование которой тратятся миллиарды.
Писать об атомистике и ее истории очень трудно. Слишком много сделано, слишком много сказано. Вдобавок атомные явления всё дальше и дальше уводят исследователей от привычного нам мира «макроскопических» предметов в особый «микромир», где действуют совсем иные законы, часто представляющиеся неспециалистам противоестественными. Дело еще в том, что человеческая фантазия легко воспринимает количественные изменения и с трудом — качественные. (Во все времена люди складывали легенды о великанах и карликах, о чудищах с множеством лап, голов и хвостов, но только в XX веке фантаст придумал мыслящую лужу.) Поэтому очень нелегко найти аналогии, позволяющие представить, что же происходит в парадоксальном мире атомов и субатомных частиц.
Автору этой книги, ленинградскому писателю А. Н. Томилину, много работающему в жанре научно-популярной литературы и написавшему более 20 книг на различные темы, пришлось проделать очень большую работу. Из безбрежного океана информации надо было отобрать самые важные и интересные факты, рассказать о том, как и почему ученым приходилось менять свои взгляды на строение вещества, что представляет собой атомистика наших дней. И все это надо было сделать на достаточно понятном и занимательном уровне, чтобы книга была интересна школьникам старших классов.
Вдобавок хотелось бы сделать так, чтобы после чтения книги становилось ясно, что изучение природы вообще и мира мельчайших частиц в частности — дело трудное, заниматься им невероятно увлекательно. Как автор справился со всем этим, судить, конечно, читателю.
Развитие атомистики прослежено в книге до наших дней, когда передовым рубежом естествознания стала физика элементарных частиц. Автор говорит о ней достаточно подробно, но в этой области существует столько интересных проблем, что о них стоит сказать еще несколько слов. В окружающем нас веществе число элементарных частиц мало — всего несколько штук. Но когда физики научились разгонять их до очень больших энергий с помощью специальных машин — ускорителей и сталкивать друг с другом, то оказалось, что в результате таких соударений образуется множество других, столь же «элементарных» частиц. Новые частицы, как правило, тяжелее протона или электрона и потому нестабильны. Прожив некоторое время, они распадаются на другие частицы, более легкие. Поэтому в окружающем нас веществе таких частиц нет; они «вымерли».
Тем не менее сам факт существования нескольких сот элементарных частиц вызывает естественный вопрос: нет ли в природе еще более элементарных объектов, из которых построены известные нам частицы, подобно тому как атомное ядро состоит из протонов и нейтронов? И наконец, если элементарных частиц так много, то не следует ли перестать все их так называть? В конце концов, что вообще «элементарно» в элементарных частицах?
Ответ современной физики на эти вопросы лучше начать с конца. Элементарны не столько сами по себе элементарные частицы, сколько их взаимодействия. Под взаимодействием частиц принято понимать не только силы притяжения или отталкивания их на расстоянии, но и вообще причину всевозможных физических процессов и превращений, в которых частицы участвуют.
Сегодня нам известны четыре основных типа взаимодействий: сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное (тяготение). Именно эти четыре типа взаимодействий определяют современную физическую картину мира. Представить ее себе можно в следующем виде. На самых малых расстояниях, порядка 10-13 сантиметра и меньше, преобладают сильные взаимодействия. В частности, они связывают протоны и нейтроны в ядра и являются главной причиной бесчисленных превращений одних частиц в другие. Однако сильное взаимодействие очень быстро убывает с расстоянием. Стоит частицам разойтись хотя бы на 10-11 сантиметра, как оно уже практически перестает чувствоваться. И тогда в игру вступает электромагнитное взаимодействие. Оно в сто с лишним раз слабее сильного, но зато с расстоянием убывает медленно.
Потому и могут положительно заряженные ядра удерживать на расстоянии отрицательно заряженные электроны, образуя с помощью электромагнитных взаимодействий такие сложные системы, как атомы.
Положительный заряд ядра компенсируется отрицательным зарядом электронов, поэтому вне атома электрические силы убывают с расстоянием уже довольно быстро. И в целом атом нейтрален. Но именно этот, быстро убывающий, «хвост» электрических сил ответствен за соединение атомов в молекулы, за силы сцепления, связывающие молекулы в тела, а заодно и за все те явления, с которыми имеют дело химики.
Можно сказать, что на уровне привычных нам тел электромагнитное взаимодействие является самым важным.
Следующим этапом является уровень небесных тел — планет, комет, звезд. Здесь уже электромагнитные силы оказываются несущественными. Основными становятся силы гравитации (тяготения).
Сила тяжести всегда приводит к притяжению тел и никогда — к отталкиванию. Чем больше масса тел, тем сильнее их притяжение. В отличие от электричества «компенсации» гравитационных «зарядов», то есть масс, никогда не происходит. В результате гравитация, совершенно не существенная на уровне элементарных частиц, оказывается основой всей небесной механики.
Из описанной картины выпало четвертое, или, как его называют, слабое, взаимодействие. Между тем его роль весьма своеобразна. Оно выполняет обязанности как бы «чистильщика». Если бы слабого взаимодействия не существовало, мир был бы много богаче. Наряду с электронами на атомных орбитах крутились бы отрицательно заряженные мюоны. Помимо протонов и нейтронов, в атомных ядрах можно было бы найти еще более тяжелые частицы — скажем, «лямбда-гипероны». И таких экзотических объектов существовало бы довольно много.
Слабое взаимодействие дает возможность всем «лишним» объектам микромира распасться на более легкие частицы. Тем самым оно приводит к тому, что окружающее нас вещество состоит из минимально возможного набора трех частиц — электрона, протона и нейтрона.
Итак, элементарные частицы оправдывают свое название, прежде всего, тем, что именно в процессах с их участием физики исследуют природу трех элементарных взаимодействий — сильного, электромагнитного и слабого. Никакой иной возможности для этого мы не знаем. (Как уже отмечалось, силы тяготения имеют особый характер и заметны лишь для достаточно больших тел.)
Ну, а как же быть с проблемой, не являются ли некоторые частицы более элементарными, чем другие?
Ответ на этот вопрос отрицателен: нет! Все частицы могут превращаться друг в друга, и в этом отношении ни одна из них не может быть выделена. Что же касается стабильных — электрона, протона и нейтрона, — то их единственная особенность заключается в том, что они наиболее легкие частицы в своем классе и потому стабильны. Нет более легких объектов, на которые они могли бы распасться. В этом нет ничего особенного. Потому что, как бы ни был устроен мир, одни частицы должны быть легче других, и ничем иным протон, нейтрон и электрон не замечательны.
Более того, с позиций современной науки справедливо утверждение, что «все состоит из всего». Например, нейтрон можно считать состоящим из протона и отрицательного пиона, если принять, что энергия связи равна энергии покоя пиона. (Мы помним, что энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света.) Аналогично можно утверждать, что протон состоит из нейтрона и положительного пиона. Продолжая эту цепочку, мы придем к утверждению, что протон может превращаться в другой протон и пару пионов и так далее…
Иначе говоря, всякая сильно взаимодействующая частица (или адрон, как стали называть такие частицы с легкой руки московского физика Л. Б. Окуня) представляет собой целое облако всевозможных адронов, которые непрерывно рождаются, уничтожаются и переходят друг в друга. Можно в принципе привести целый ряд доводов в пользу правильности такой картины.
Описанная ситуация является весьма необычной и по сути дела кладет конец традиционному развитию атомистики, при котором каждый объект микромира предполагается составленным из определенного числа более мелких «кирпичиков». Иначе говоря, если мы дошли до таких энергий связи, которые равны энергиям покоя частиц, то число этих частиц в связанном состоянии становится неопределенным и может быть сколь угодно большим.
Но… Именно в этом месте физики столкнулись с новым парадоксом, значение которого может оказаться не меньшим, чем пересмотр понятий одновременности, интервала времени и длины в теории относительности или отказ от представления об определенной траектории частицы в квантовой механике.
Появился целый ряд экспериментальных результатов, которые можно интерпретировать как наличие внутри, скажем, протона или нейтрона трех почти свободных объектов, которые получили название кварков.
Свойства других частиц — мезонов также позволяют представить их в виде совокупности кварка и его «античастицы» — антикварка.
Особым свойством кварков должно быть наличие у них дробного электрического заряда, равного либо 2/3, либо — 1/3, в тех же единицах, в которых заряд протона равняется + 1, а заряд электрона — 1. Это необычное свойство (дробность электрического заряда) делает кварки весьма заметными объектами. Их принялись искать везде, где только можно. Искали «реликтовые» кварки, то есть те, которые могли остаться в земных породах с незапамятных времен рождения Солнечной системы, искали в метеоритах, искали в космических лучах, приходящих на землю из межзвездных глубин. Новые кварк-антикварковые пары пытались создать, сталкивая частицы, разогнанные до огромных энергий на самых больших ускорителях мира.
И все попытки, все эксперименты дали отрицательный результат. В свободном состоянии кварки не найдены. Были, правда, два сообщения — одно австралийской, а другое — американской группы — об открытии частиц с дробным электрическим зарядом, кратным 1/3 от заряда электрона, но оба сообщения не подтвердились в более точных экспериментах.
В итоге перед физиками возникла противоречивая ситуация. С одной стороны, сильно взаимодействующие частицы — адроны непрерывно превращаются друг в друга, и потому «все состоит из всего». С другой стороны, появились доводы в пользу совсем иной картины, в которой те же адроны представляют собой совокупность определенного числа — двух или трех кварков. И в то же время свободные кварки не найдены…
Поиски выхода из указанных противоречий привели в последние годы к идее о том, что кварки представляют собой не просто более мелкие частицы, а объекты совершенно нового типа, связанные между собой необычными силами. Силы эти не убывают с расстоянием, а растут!
На малых расстояниях («внутри» элементарной частицы) кварки взаимодействуют слабо, и потому протон или нейтрон можно представлять как систему из трех почти свободно движущихся кварков. Но стоит этим странным объектам разойтись на большее расстояние, как силы притяжения между кварками становятся огромными. Потому и не удается «развести» кварки друг от друга так далеко, чтобы их можно было наблюдать как независимые частицы.
Ситуация здесь совершенно противоположна той, с которой сталкивались физики до сих пор, скажем, в атоме или в его ядре.
Хотя математически законченной теории «невылетания» кварков еще нет, физики все больше склоняются к изложенным выше идеям. Если они подтвердятся, то это будет означать новый этап атомистики.
Традиционная атомистика как учение о дискретности материи, о подразделении одних объектов на другие, более мелкие, завершается на уровне элементарных частиц, обладающих свойствами взаимных превращений и, следовательно, состоящих друг из друга. Вместо нее появляется новая атомистика, как учение о совсем новых и необычных «субэлементарных» объектах, не существующих изолированно в «свободном» виде. Сведения об их существовании и свойствах можно получить лишь в результате косвенных экспериментов.
Чем больше проходит времени, тем больше накапливается информации о кварках. Сперва были известны лишь три их сорта, потом стало четыре. В 1977 году был обнаружен пятый кварк, и есть подозрение, что существует и и шестой… Так или иначе, число кварков растет, и в конце концов может возникнуть вопрос о существовании еще более необычных «субкварковых» объектов…
В настоящее время, однако, такой вопрос смысла не имеет, поскольку нет никаких ни теоретических, ни экспериментальных указаний на то, в каких явлениях эти объекты могли бы проявиться.
История с кварками интересна в двух отношениях. Во-первых, она показывает, что парадоксы природы, раскрытием которых так богата физика XX века, далеко не исчерпаны. Во-вторых, из нее следует, что атомистика, об истории которой вы узнаете из этой книги, вовсе не завершена. И не исключено, что кому-нибудь из читателей доведется вписать в нее новую главу, как это и предлагает сделать в конце книги сам автор.
В. М. Шехтер, доктор физико-математических наук